CN111913260B - 一种防辐射高阻燃特种光缆及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括至少一个缆芯，所述缆芯外依次包裹有耐燃防辐射层、至少一层陶瓷纤维防护层和耐燃耐磨层，其中所述耐燃防辐射层为厚度为0.1‑0.2mm的聚醚醚酮层，所述耐燃耐磨层包括至少一层厚度为0.1‑0.6mm碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层。本发明的高防辐射高阻燃特种光缆具有极佳的耐燃耐高温性能，同时能有效抗辐射老化，具有良好的耐磨耐腐蚀性能，而且结构简单、易于制备，适于在核电厂、化工厂等极端恶劣的环境中使用。
Description
技术领域
本申请本发明属于通信光缆技术，尤其涉及一种防辐射高阻燃特种光缆。
背景技术
核电厂由于其环境的特殊性，因而对电缆的耐高温、防辐射、抗老化等性能要求较为严苛，目前国内运行的核电厂中使用的主要是矿物绝缘电缆。矿物绝缘电缆具有极佳的耐热、耐燃性能，但是其在核电站的高辐射环境中长期使用会容易老化变脆，从而带来一定的安全隐患。另外，由于核电厂高盐雾、振动的复杂运行环境对电缆的抗腐蚀和耐磨抗震性能也提出较高要求。
专利CN111040448A公开了一种核电航空用热塑性聚酰亚胺电缆料，其通过将聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、含硅氧烷聚醚酰亚胺组合作为基础树脂与含醚键极性树脂和非极性结晶树脂复合形成一种可塑性加工、耐热、耐辐射、综合机械性能优的核电航空用电缆料，但这种复合材料的耐磨和抗腐蚀性能稍显不足。
因此，需要一种综合性能良好，在耐高温防辐射同时兼具优异的耐腐蚀、耐摩擦性能的特种电缆。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种防辐射高阻燃特种光缆，其具有极佳的耐燃耐高温性能，同时能有效抗辐射老化，具有良好的耐磨耐腐蚀性能，而且结构简单、易于制备，适于在核电厂、化工厂等极端恶劣的环境中使用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括至少一个缆芯，所述缆芯外依次包裹有绝缘层、耐燃防辐射层、至少一层陶瓷纤维防护层和耐燃耐磨层，其中所述耐燃防辐射层为厚度为0.1-0.2mm的聚醚醚酮层，所述耐燃耐磨层包括至少一层厚度为0.1-0.6mm碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层。
进一步优选地，所述聚醚醚酮层为聚醚醚酮卷绕带或聚醚醚酮挤出层。
进一步优选地，所述陶瓷纤维防护层的厚度为0.2-0.6mm。
进一步优选地，所述陶瓷纤维防护层为硅酸铝陶瓷纤维防护层。
进一步优选地，所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层中碳纤维含量小于5wt.％，且聚四氟乙烯的含量小于15wt.％。
进一步优选地，所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含1-5wt.％的碳纤维和5-10wt.％的聚四氟乙烯。
进一步优选地，所述碳纤维的纤维长度范围为0.01-0.07mm。在聚四氟乙烯/聚醚醚酮层复合材料中添加少量的碳纤维能有效增强复合材料的力学性能，但是碳纤维长度过长容易从材料表面凸出，而碳纤维长度过短则容易从材料表面磨损剥离，这都会使材料摩擦增大，大大降低复合材料的耐磨性。
本发明所述的防辐射高阻燃特种光缆的制备方法包括以下步骤：
1)选取光缆缆芯，在其表面涂覆聚酰亚胺绝缘层；
2)在缆芯外表面卷绕或者挤出形成聚醚醚酮耐燃防辐射层；
3)在步骤1)得到的光缆表面包裹至少一层陶瓷纤维防护层；
4)将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，干燥使丙酮挥发后，制得碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；
5)将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与步骤4)制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，将挤出的共混物通过挤塑机在步骤2)得到的光缆表面形成至少一层碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层。
其中，所述步骤4)中的碳纳米管优选为多壁碳纳米管，优选地，其管径为30-40nm，长度为150-200μm。
进一步优选地，所述双螺杆挤出机熔融段温度≥390℃。
进一步优选地，所述步骤3)中采用的聚醚醚酮的熔融指数范围为60-150g/10min。此范围为优选熔融指数范围，当熔融指数低于60g/10min或高于150g/10min，会由于聚醚醚酮粘度过高或过低而使得在与碳纤维和聚四氟乙烯混合后难以加工，或者成型时间过长使得形成的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层不均匀，从而劣化得到的光缆性能。
本发明中所采用的缆芯可以是本领域中常规使用的具有各种所需性能的紧套管或松套管光纤，也可以是涂覆了保护层(比如聚酰亚胺层)的裸光纤等等。
本发明的有益效果在于：
通过采用聚醚醚酮耐燃防辐射层和聚醚醚酮基的耐燃耐磨层，使得本发明的特种光缆具有较为优异的综合性能。
聚醚醚酮(PEEK)是一种全芳香族半结晶性的热塑性材料，其大分子链上含有刚性的苯环、柔性醚键以及提高分子间作用的羰基，结构规整，具有良好的耐燃性、耐高温性、耐化学药品性等性能，同时其防辐射能力极为优越，是目前国际上探索用于辐射环境中抗老化、防裂解的光缆的优选材料，尤其是作为矿物绝缘电缆的护套层使用，通过采用激光重熔法、静电粉末喷涂法等技术在不锈钢基材是制造PEEK涂层，已成功实现产业化应用。本发明借鉴该思路，尝试制备能在强辐射尤其是核电厂环境下使用的无卤耐燃电缆，但是低烟无卤阻燃电缆仅仅包覆PEEK层是远远达不到使用性能要求的，因此本发明在此基础上进一步研究了PEEK基复合材料，通过将特定熔融指数范围的PEEK与特定长度范围的碳纤维结合碳纳米管和聚四氟乙烯复配改性，制备出适宜光缆使用的耐火、耐燃、耐辐射、耐腐蚀，同时具有优异的强度和硬度的复合护套材料。另外，通过在包裹缆芯的聚醚醚酮耐燃防辐射层和外层的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮耐燃耐磨层之间设置至少一层陶瓷纤维防护层，尤其是硅酸铝陶瓷纤维防护层，可以在有效隔离外部热量向缆芯传递，同时相比于常规隔离材料更为轻质。
本发明制备的防辐射高阻燃特种光缆能耐受250℃以上的高温，同时能有效抗辐射老化，经γ射线辐照试验测得电缆的吸收剂量最高达6.7×106Gy；另外本发明的特种光缆还具备极佳的耐腐蚀、耐摩擦等性能，能大大延长光缆在极端环境中的使用寿命，适于广泛用于煤矿、核电、化工生产等比较恶劣的环境中。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施，但所举实施例不作为对本申请的限定。
实施例1
一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括单根光缆缆芯，该光纤缆芯外依次包裹有厚度为30μm的聚酰亚胺绝缘层、两层厚度分别为0.2mm的聚醚醚酮耐燃防辐射层、一层厚度为0.6mm的陶瓷纤维防护层和一层厚度为0.3mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，其中所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含2wt.％长度为0.01mm的碳纤维、0.1wt.％的碳纳米管和10wt.％的聚四氟乙烯且聚醚醚酮的熔融指数为60g/10min。
其制备方法为：选择符合需求的单根光缆缆芯，在其表面涂覆30μm厚的聚酰亚胺绝缘层，再卷绕两层厚度为0.2mm的聚醚醚酮卷绕层，然后包覆0.6mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层；将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，置于100℃的真空干燥箱中干燥60min，使其中的丙酮溶剂完全挥发后得到碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与所制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，设定三段温度为375℃、390℃和390℃，在光缆表面形成厚度为0.3mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，制得本发明的防辐射高阻燃特种光缆。
经过测试，所制得的防辐射高阻燃特种光缆在γ射线辐照试验中电缆的吸收剂量约为6.1×106Gy，长期耐受温度达250℃，摩擦系数小于0.12。
实施例2
一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括单根光缆缆芯，该光纤缆芯外依次包裹有厚度为30μm的聚酰亚胺绝缘层、两层厚度分别为0.1mm的聚醚醚酮耐燃防辐射层、一层厚度为0.4mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层和两层厚度为0.1mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，其中所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含1wt.％长度为0.03mm的碳纤维、1wt.％的碳纳米管和5wt.％的聚四氟乙烯且聚醚醚酮的熔融指数为120g/10min。
其制备方法为：选择符合需求的单根光缆缆芯，在其表面涂覆30μm厚的聚酰亚胺绝缘层，再卷绕两层厚度为0.1mm的聚醚醚酮卷绕层，然后包覆0.4mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层；将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，置于100℃的真空干燥箱中干燥60min，使其中的丙酮溶剂完全挥发后得到碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与所制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，设定三段温度为375℃、390℃和390℃，在光缆表面形成两层厚度为0.1mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，制得本发明的防辐射高阻燃特种光缆。
经过测试，所制得的防辐射高阻燃特种光缆在γ射线辐照试验中电缆的吸收剂量约为6.5×106Gy，长期耐受温度达250℃，摩擦系数小于0.13。
实施例3
一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括单根光缆缆芯，该光纤缆芯外依次包裹有厚度为40μm的聚酰亚胺绝缘层、单层厚度为0.2mm的聚醚醚酮耐燃防辐射层、一层厚度为0.2mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层和一层厚度为0.6mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，其中所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含5wt.％长度为0.07mm的碳纤维、0.5wt.％的碳纳米管和15wt.％的聚四氟乙烯且聚醚醚酮的熔融指数为150g/10min。
其制备方法为：选择符合需求的单根光缆缆芯，在其表面涂覆40μm厚的聚酰亚胺绝缘层，再通过挤出机包覆一层厚度为0.2mm的聚醚醚酮层，然后包覆0.2mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层；将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，置于100℃的真空干燥箱中干燥60min，使其中的丙酮溶剂完全挥发后得到碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与所制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，设定三段温度为375℃、390℃和390℃，在光缆表面形成厚度为0.6mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，制得本发明的防辐射高阻燃特种光缆。
经过测试，所制得的防辐射高阻燃特种光缆在γ射线辐照试验中电缆的吸收剂量约为5.8×106Gy，长期耐受温度达250℃，摩擦系数小于0.1。
实施例4
一种防辐射高阻燃特种光缆，其包括单根光缆缆芯，该光纤缆芯外依次包裹有厚度为40μm的聚酰亚胺绝缘层、三层厚度为0.1mm的聚醚醚酮耐燃防辐射层、一层厚度为0.6mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层和两层厚度为0.4mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，其中所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含3wt.％长度为0.05mm的碳纤维、0.3wt.％的碳纳米管和6wt.％的聚四氟乙烯且聚醚醚酮的熔融指数为90g/10min。
其制备方法为：选择符合需求的单根光缆缆芯，在其表面涂覆40μm厚的聚酰亚胺绝缘层，再通过挤出机包覆三层厚度为0.1mm的聚醚醚酮层，然后包覆0.6mm的硅酸铝陶瓷纤维防护层；将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，置于100℃的真空干燥箱中干燥60min，使其中的丙酮溶剂完全挥发后得到碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与所制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，设定三段温度为375℃、390℃和390℃，在光缆表面形成两层厚度为0.4mm的碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层，制得本发明的防辐射高阻燃特种光缆。
经过测试，所制得的防辐射高阻燃特种光缆在γ射线辐照试验中电缆的吸收剂量约为6.7×106Gy，长期耐受温度达250℃，摩擦系数小于0.11。
以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种防辐射高阻燃特种光缆，其特征在于，包括至少一个缆芯，所述缆芯外依次包裹有聚酰亚胺绝缘层、耐燃防辐射层、至少一层陶瓷纤维防护层和耐燃耐磨层，其中所述耐燃防辐射层为厚度为0.1-0.2 mm的聚醚醚酮层，所述耐燃耐磨层包括至少一层厚度为0.1-0.6 mm碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层；
所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层包含1-5 wt.%的碳纤维、0.1-0.5 wt.%的碳纳米管和5-10 wt.%的聚四氟乙烯；
所述碳纤维的纤维长度范围为0.01-0.07 mm；
所述碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层的制备方法为：将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，干燥制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与所述碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，将挤出的共混物通过挤塑机在光缆表面形成至少一层碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层；
采用的聚醚醚酮的熔融指数范围为60-150 g/10min。
2.如权利要求1所述的防辐射高阻燃特种光缆，其特征在于，所述聚醚醚酮层为聚醚醚酮卷绕带或聚醚醚酮挤出层。
3.如权利要求1所述的防辐射高阻燃特种光缆，其特征在于，所述陶瓷纤维防护层的厚度为0.2-0.6 mm。
4.如权利要求1或3所述的防辐射高阻燃特种光缆，其特征在于，所述陶瓷纤维防护层为硅酸铝陶瓷纤维防护层。
5.如权利要求1所述的防辐射高阻燃特种光缆，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
6.如权利要求1-5中任一项所述的防辐射高阻燃特种光缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取光缆缆芯，在其表面涂覆聚酰亚胺绝缘层；
2)在涂覆了绝缘层的光缆缆芯外表面卷绕或者挤出形成聚醚醚酮耐燃防辐射层；
3)在步骤1）得到的光缆表面包裹至少一层陶瓷纤维防护层；
4)将称量好的碳纳米管和聚四氟乙烯加入丙酮溶液中，超声分散均匀后，干燥制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料；
5)将称量好的碳纤维、聚醚醚酮与步骤4）制得的碳纳米管-聚四氟乙烯混合料混合均匀后置于双螺杆挤出机中熔融共混，将挤出的共混物通过挤塑机在步骤2）得到的光缆表面形成至少一层碳纤维/碳纳米管改性的聚四氟乙烯/聚醚醚酮层。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机熔融段温度≥390℃。
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